超彈改性瀝青裂縫阻斷層混合料路用性能研究

朱連照，孫賦成，蔡文龍

(1.江蘇寧靖鹽高速公路有限公司，江蘇 南京 210000； 2.江蘇中路工程技術(shù)研究院有限公司)

近年來，路面排水問題受到越來越多的關(guān)注，很多城市道路和高速公路都存在排水不暢的問題，給交通出行帶來極大的不便。應(yīng)運(yùn)而生的OGFC、PAC等排水路面得到道路工作者的認(rèn)可，被普遍應(yīng)用到瀝青路面的修筑中。同時(shí)瀝青路面處于養(yǎng)護(hù)維修期，排水路面也被作為罩面用于提升原路面的路用性能，但隨之也發(fā)現(xiàn)排水路面容易出現(xiàn)裂縫、松散等病害，主要是由于排水路面為了滿足排水需求，其空隙率較大，承載能力較低，瀝青膜較薄，在水和車輛荷載的長期作用下，極易出現(xiàn)裂縫、松散等病害，尤其是裂縫病害，其極易向下發(fā)展與原路面的裂縫形成貫通裂縫，對路面的耐久性極其不利。故亟需尋找一種有效的方法，防止裂縫加重。

考慮到中國瀝青路面結(jié)構(gòu)的現(xiàn)狀，大多數(shù)路面采用半剛性基層，半剛性基層由于其具有較高的模量在修筑初期就存在著一定的裂縫，隨后在車輛荷載作用下，裂縫開裂加大，并逐漸向面層反射，產(chǎn)生反射裂縫，故通常會在半剛性基層與瀝青面層間設(shè)置應(yīng)力吸收層，顯著降低瀝青面層層底的荷載應(yīng)力，延緩反射裂縫的發(fā)展。借鑒此思想，在加鋪排水罩面和舊瀝青路面間設(shè)置一層類似于應(yīng)力吸收層的瀝青混合料，以解決加鋪排水罩面養(yǎng)護(hù)維修后路面使用壽命短的問題，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

該文研究開發(fā)一種與傳統(tǒng)的應(yīng)力吸收層作用相類似的裂縫阻斷層瀝青混合料，對其必備的抗疲勞性能、高溫性能和低溫性能進(jìn)行測試，評價(jià)其性能的優(yōu)劣，并對其施工關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，為其推廣應(yīng)用奠定一定的基礎(chǔ)。

1 依托工程

江蘇鹽(城)-靖(江)高速公路(S29)，全長187.66 km，運(yùn)營至今已超過16年，期間進(jìn)行過多次路面專項(xiàng)養(yǎng)護(hù)，取得了較為顯著的效果。現(xiàn)階段雖然PCI、RQI等檢測指標(biāo)尚好，但部分路段瀝青面層老化，路面裂縫、松散等病害密集，在影響車輛行駛安全性及舒適性的同時(shí)，整體路面結(jié)構(gòu)的耐久性不斷下降。因此，結(jié)合鹽靖高速公路的現(xiàn)狀以及排水路面的優(yōu)點(diǎn)，鹽靖高速公路計(jì)劃未來大規(guī)模使用排水路面對原路面進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，以提高路面的服務(wù)水平。

通過對江蘇省加鋪排水路面裂縫發(fā)展形態(tài)調(diào)研可知，加鋪排水路面的開裂主要表現(xiàn)為上下同時(shí)開裂，并有相互貫通的趨勢，因此為了控制裂縫的進(jìn)一步發(fā)展，避免路表水沿裂縫流入基層，必須在排水路面與老路間設(shè)置阻斷裂縫發(fā)展的抗疲勞層(也稱裂縫阻斷層)，如圖1所示，以延緩裂縫病害的進(jìn)一步發(fā)展。

根據(jù)裂縫阻斷層的研究成果，為了阻斷排水路面裂縫快速向下發(fā)展，延緩老路裂縫向上發(fā)展，提高路面整體結(jié)構(gòu)性能，設(shè)計(jì)了一種裂縫阻斷層混合料。同時(shí)為了進(jìn)一步提高排水路面的降噪效果，提出了降噪超薄排水混合料。制定的路面改造方案如圖2所示。

圖1 加鋪排水路面裂縫發(fā)展趨勢

圖2 鹽靖高速公路路面改造方案

2 裂縫阻斷層混合料設(shè)計(jì)

2.1 材料選擇

為了實(shí)現(xiàn)裂縫阻斷層的抗裂性能，瀝青采用SBS改性瀝青+超彈改性劑，主要是通過提升瀝青的低溫延度、彈性恢復(fù)和軟化點(diǎn)，提高瀝青的彈性，降低瀝青的溫度敏感性，從而提升抗裂層的應(yīng)力吸收效果。超彈瀝青技術(shù)指標(biāo)如表1所示。其他瀝青材料有普通SBS改性瀝青、橡膠瀝青等，集料采用抗壓能力較強(qiáng)的玄武巖，通常認(rèn)為玄武巖與瀝青黏附性較強(qiáng)，從理論上講其與超彈改性瀝青黏結(jié)可發(fā)揮較強(qiáng)的應(yīng)力吸收效果。礦粉采用石灰?guī)r。

表1 超彈改性瀝青各項(xiàng)性能指標(biāo)

2.2 配合比設(shè)計(jì)

裂縫阻斷層與應(yīng)力吸收層類似，其厚度一般為2 cm左右，為保證其具有較好的阻水性和低溫韌性，必須使用粒徑較小的混合料，綜合考慮鹽靖高速公路交通條件及當(dāng)?shù)貧夂颦h(huán)境特點(diǎn)，依據(jù)瀝青混合料級配類型規(guī)范要求，裂縫阻斷層混合料采用密級配瀝青混合料AC-5。AC-5超彈改性瀝青混合料級配設(shè)計(jì)過程如下：

(1) 集料篩分

對所取樣品采用四分法進(jìn)行集料篩分和密度試驗(yàn)，結(jié)果見表2、3。

表2 集料篩分結(jié)果

表3 集料密度試驗(yàn)結(jié)果

(2) 礦料級配調(diào)試

依據(jù)集料篩分試驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)行了配合比級配組合設(shè)計(jì)，各熱倉料及礦粉質(zhì)量比為：1#(3～6 mm)∶2#(0～3 mm)∶礦粉=35∶60∶5。

礦料合成級配如圖3所示。

圖3 礦料合成級配圖

(3) 馬歇爾擊實(shí)試驗(yàn)

根據(jù)配合比確定6.4%為基準(zhǔn)油石比，擊實(shí)溫度采用165～170 ℃，試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

由表4可知：超彈改性瀝青混合料的各項(xiàng)性能指標(biāo)均滿足規(guī)范要求，下一步計(jì)劃對其路用性能進(jìn)行深入研究，以判斷其路用性能的優(yōu)劣。

3 裂縫阻斷層瀝青混合料路用性能評價(jià)

3.1 抗疲勞開裂性能

瀝青路面在行車荷載和溫度應(yīng)力的作用下，加鋪排水路面和舊瀝青路面內(nèi)部裂縫尖端會產(chǎn)生應(yīng)力集中，加之作用時(shí)間的增長，會導(dǎo)致面層材料疲勞而使裂縫開裂嚴(yán)重，兩者裂縫逐步向下、向上發(fā)展直至貫穿整個(gè)面層。裂縫阻斷層是設(shè)置在加鋪排水罩面和舊瀝青路面間的夾層，其抗疲勞開裂性能的好壞影響裂縫貫穿的速度，是整個(gè)路面結(jié)構(gòu)防裂的關(guān)鍵，故需對其抗疲勞開裂性能進(jìn)行深入研究。

表4 生產(chǎn)級配馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果

裂縫阻斷層混合料的疲勞試驗(yàn)采用四點(diǎn)小梁彎曲試驗(yàn)進(jìn)行評價(jià)，試驗(yàn)設(shè)備采用UTM-30，在1 000 με應(yīng)變控制模式下施加半正弦波荷載進(jìn)行試驗(yàn)，采用模量下降至初始模量的50%時(shí)所對應(yīng)的荷載作用次數(shù)作為混合料的疲勞壽命。

為了進(jìn)一步分析裂縫阻斷層混合料的疲勞性能，對比了其與常規(guī)改性瀝青、橡膠瀝青及Strata應(yīng)力吸收層瀝青混合料在相同應(yīng)變水平下的疲勞壽命，試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知：超彈改性瀝青裂縫阻斷層混合料的疲勞壽命遠(yuǎn)大于200 000次，表明其疲勞性能十分優(yōu)異。對比4種瀝青混合料試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，在相同應(yīng)變水平下，Strata應(yīng)力吸收層的疲勞性能十分優(yōu)異，其次是超彈改性瀝青，最后分別是常規(guī)改性瀝青和橡膠瀝青，并且在大應(yīng)變條件下，這4種應(yīng)力吸收層的疲勞壽命都較高，因此可認(rèn)為這4種應(yīng)力吸收層的疲勞性能均十分優(yōu)異。

圖4 超彈瀝青與其他應(yīng)力吸收層的疲勞壽命

3.2 高溫穩(wěn)定性能

瀝青混合料高溫性能是指在荷載作用下，瀝青混合料抵抗不可逆變形的能力。裂縫阻斷層位于加鋪排水罩面下層，層位較淺，且其瀝青混合料中瀝青含量較高，級配顆粒較細(xì)，當(dāng)夏季高溫作用時(shí)，瀝青黏度大幅降低，瀝青與礦料的黏結(jié)力也會下降，從而導(dǎo)致裂縫阻斷層強(qiáng)度和抗變形能力下降，在行車荷載的重復(fù)作用下，極易產(chǎn)生永久不可逆變形，嚴(yán)重影響路面結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。所以，有必要對其高溫穩(wěn)定性進(jìn)行研究。

采用動穩(wěn)定度試驗(yàn)評價(jià)裂縫阻斷層超彈改性瀝青混合料的高溫性能，同時(shí)，為了進(jìn)一步評價(jià)其與現(xiàn)有其他應(yīng)力吸收層混合料高溫性能的優(yōu)劣，將其與常規(guī)改性瀝青和Strata應(yīng)力吸收層的高溫性能進(jìn)行對比，結(jié)果如圖5所示。

圖5 超彈瀝青與其他應(yīng)力吸收層的動穩(wěn)定度

由圖5可知：超彈改性瀝青混合料的動穩(wěn)定度達(dá)到5 522次/mm，其高溫性能十分優(yōu)異，而改性瀝青和Strata應(yīng)力吸收層的動穩(wěn)定度分別為3 028、2 603次/mm，其高溫性能相對較差。

3.3 低溫抗裂性能

由于晝夜溫差大或氣溫驟降，瀝青路面會產(chǎn)生溫度應(yīng)力和收縮變形，加之瀝青路面沒有伸縮縫，導(dǎo)致收縮變形受到限制，而使瀝青內(nèi)部產(chǎn)生拉應(yīng)力，一般較小的拉應(yīng)力會在瀝青混凝土自身應(yīng)力松弛能力的作用下慢慢消散，但當(dāng)晝夜溫差過大或氣溫驟降過大時(shí)，路面內(nèi)部較大的拉應(yīng)力不會被及時(shí)松弛，而產(chǎn)生過量的應(yīng)力集中，使收縮變形超出瀝青混合料抵抗不可逆變形能力或溫度應(yīng)力超出其自身抗拉強(qiáng)度時(shí)，瀝青路面就會開裂出現(xiàn)裂縫。裂縫阻斷層僅位于加鋪排水罩面層下面，層位較淺，對溫度變化敏感，容易出現(xiàn)低溫開裂的情況，有必要對低溫開裂性能進(jìn)行研究。

采用小梁彎曲試驗(yàn)評價(jià)裂縫阻斷層超彈改性瀝青混合料的低溫性能，同時(shí)，為了進(jìn)一步分析其低溫性能水平，將其與常規(guī)改性瀝青和Strata應(yīng)力吸收層混合料的低溫性能進(jìn)行對比，結(jié)果如圖6所示。

圖6 超彈瀝青與其他應(yīng)力吸收層的破壞應(yīng)變

由圖6可知：超彈改性瀝青混合料的低溫破壞應(yīng)變達(dá)到7 599 με，其低溫性能最優(yōu)，而改性瀝青混合料和Strata應(yīng)力吸收層混合料的低溫性能則相對較弱，其低溫破壞應(yīng)變分別為6 027、5 813 με。

綜上所述，超彈改性瀝青混合料抗疲勞性能優(yōu)異，且兼具較好的高溫穩(wěn)定性及低溫抗裂性。

4 裂縫阻斷層施工關(guān)鍵技術(shù)研究

4.1 試驗(yàn)路鋪筑

基于超彈改性瀝青混合料室內(nèi)試驗(yàn)研究成果，同時(shí)為了驗(yàn)證超彈改性瀝青混合料實(shí)際使用效果，采用鹽靖高速公路舊路改造方案進(jìn)行試驗(yàn)段鋪筑，為其推廣應(yīng)用積累實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

2018年鹽靖高速公路排水型瀝青混凝土罩面工程的實(shí)施路段為靖鹽方向K88+400～K98+200段，為了與PAC-13路段使用效果進(jìn)行對比，試驗(yàn)段綜合考慮交通量、路面病害情況等，在2018年排水路面罩面段附近選擇路段進(jìn)行試驗(yàn)段鋪筑，試驗(yàn)段為靖鹽方向K88+332～K88+811段，試驗(yàn)段長度為479 m。

4.2 施工工藝研究

(1) 混合料的拌制

試驗(yàn)段瀝青混合料生產(chǎn)量約為120 t/h，超彈改性劑采用人工投放?；旌狭习韬瓦^程中，干拌時(shí)間為10～15 s；由于超彈瀝青應(yīng)力吸收層混合料中細(xì)集料多，濕拌時(shí)長比一般瀝青混合料要長10～15 s，為55～65 s?？紤]到混合料攤鋪厚度較薄，溫度損失較快，因此要適當(dāng)提高混合料的出料溫度，出料溫度約為186 ℃。

(2) 混合料的運(yùn)輸

運(yùn)料車要有良好的篷布覆蓋設(shè)施，并且確保卸料過程中繼續(xù)覆蓋，直到卸料結(jié)束取走篷布，既保溫又避免污染環(huán)境。采用數(shù)字顯示插入式熱電偶溫度計(jì)檢測瀝青混合料運(yùn)到現(xiàn)場的溫度，確保到場溫度為185 ℃。

(3) 混合料的攤鋪

試驗(yàn)段鋪筑過程中，應(yīng)嚴(yán)格控制超彈改性瀝青混合料的攤鋪溫度，現(xiàn)場控制為183 ℃。攤鋪機(jī)前方有足夠的運(yùn)料車等候卸料，確保連續(xù)攤鋪。連續(xù)攤鋪過程中，運(yùn)料車在攤鋪機(jī)前10～30 cm處停車，不得撞擊攤鋪機(jī)。卸料過程中運(yùn)料車掛空檔，靠攤鋪機(jī)推動前進(jìn)，以減少攤鋪機(jī)抖動，提高攤鋪的平整度。

攤鋪過程中，攤鋪機(jī)松鋪系數(shù)設(shè)置為1.12，攤鋪速度為4 m/min，做到緩慢、均勻、不間斷地?cái)備?，不出現(xiàn)停機(jī)待料的現(xiàn)象；攤鋪采用2臺攤鋪機(jī)梯隊(duì)作業(yè)，相鄰攤鋪機(jī)相距小于20 m，有效地保證縱向接縫的碾壓溫度。

(4) 瀝青混合料的碾壓

瀝青混合料的壓實(shí)是保證瀝青面層質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)，應(yīng)選擇合理的壓路機(jī)組合方式及碾壓步驟。壓路機(jī)的適宜碾壓速度隨初壓、復(fù)壓、終壓及壓路機(jī)的類型而定，按表5選用。

表5 裂縫阻斷層混合料建議碾壓方案

碾壓過程中為保證壓實(shí)度和平整度，初壓應(yīng)在混合料不產(chǎn)生推移、開裂等情況下盡量在攤鋪后較高溫度下進(jìn)行，按“高溫、緊跟”的原則進(jìn)行碾壓，發(fā)現(xiàn)黏輪現(xiàn)象時(shí)，不得向壓路機(jī)輪上涂油或油水混合液，必要時(shí)可噴涂清水或皂水等隔離劑，終壓膠輪碾壓要在70 ℃左右進(jìn)行，溫度不能過高，以防止混合料底部溫度過高導(dǎo)致碾壓過于密實(shí)。當(dāng)路面溫度低于50 ℃時(shí)便可開放交通或進(jìn)行下一環(huán)節(jié)的施工作業(yè)。

最終確定裂縫阻斷層各個(gè)環(huán)節(jié)的溫度控制如表6所示。

表6 瀝青混合料的控制溫度 ℃

4.3 質(zhì)量檢驗(yàn)

裂縫阻斷層混合料在施工過程中應(yīng)重點(diǎn)控制材料級配、混合料性能、壓實(shí)度、滲水等指標(biāo)，施工后對試驗(yàn)段進(jìn)行相關(guān)檢測。首先對回收的瀝青混合料進(jìn)行了抽提，抽提后級配檢測結(jié)果如圖7所示；其次檢測了瀝青混合料的各項(xiàng)性能，結(jié)果如表7所示；最后對其壓實(shí)度和滲水進(jìn)行了測試，結(jié)果如表8所示。

由表7可知：試驗(yàn)路鋪筑的裂縫阻斷層瀝青混合料的動穩(wěn)定度只有3 119次/mm，而室內(nèi)試驗(yàn)為5 522次/mm，究其原因?yàn)槭覂?nèi)試驗(yàn)的裂縫阻斷層瀝青混合料是嚴(yán)格按照配合比設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行成型的，故其材料性能比較穩(wěn)定，測得的動穩(wěn)定度較高；而試驗(yàn)路鋪筑過程中使用的集料規(guī)格偏細(xì)，2.36 mm的通過率偏大(圖7)，造成瀝青混合料整體偏細(xì)，實(shí)際壓實(shí)過程中偏細(xì)的瀝青混合料并不易壓實(shí)，同時(shí)由于缺乏大粒徑集料，瀝青混合料沒有形成較好的骨架結(jié)構(gòu)，造成試驗(yàn)路鋪筑的瀝青混合料動穩(wěn)定度偏小。

圖7 裂縫阻斷層抽提級配曲線圖

表7 裂縫阻斷層混合料性能

由圖7和表7、8可知：裂縫阻斷層混合料級配滿足級配范圍要求，混合料的體積指標(biāo)、高溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性能等均能夠滿足技術(shù)要求，且施工后的路面壓實(shí)度合格率為100%，路面滲水狀況良好，能夠較好地防止雨水下滲損壞原路面。

5 工后觀測

分別在通車2個(gè)月后和通車1年后，對裂縫阻斷層試驗(yàn)路段進(jìn)行了現(xiàn)場觀測。結(jié)果表明：試驗(yàn)段整體狀況良好，并未出現(xiàn)裂縫、坑槽、車轍等病害，后期仍會繼續(xù)對試驗(yàn)段加強(qiáng)跟蹤觀測，對裂縫阻斷層的后期使用效果進(jìn)行深入評價(jià)。

表8 裂縫阻斷層現(xiàn)場檢測結(jié)果

6 結(jié)論

(1) 提出了防止加鋪排水路面裂縫發(fā)展和降低排水路面噪音的路面改造方案，即2.5 cm降噪超薄排水瀝青罩面+2 cm裂縫阻斷層+原路面(局部病害處理)；并設(shè)計(jì)了裂縫阻斷層混合料采用AC-5超彈改性瀝青混合料。

(2) 室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果顯示，超彈改性瀝青混合料比常規(guī)的改性瀝青及橡膠瀝青應(yīng)力吸收層混合料性能更加優(yōu)異，具有很高的抗疲勞性能，抗疲勞性能超過20萬次，且兼具較好的高溫穩(wěn)定性及低溫抗裂性。

(3) 確定了裂縫阻斷層的施工工藝，并在鹽靖高速公路上鋪筑了479 m試驗(yàn)段，通過試驗(yàn)段的路面性能分析得知，裂縫阻斷層的各項(xiàng)指標(biāo)均能滿足技術(shù)要求；但其與室內(nèi)試驗(yàn)指標(biāo)仍存在一定差距，故開發(fā)新材料時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)考慮室內(nèi)試驗(yàn)與實(shí)體工程的差距，以實(shí)體工程性能為導(dǎo)向，開發(fā)出具有較好路用性能的材料。

(4) 由竣工后使用效果觀測得到，裂縫阻斷層的應(yīng)用情況良好，為了進(jìn)一步驗(yàn)證是否能夠達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)，應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)跟蹤觀測。